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过滤行业的新宠儿——膨胀石墨

膨胀石墨是新型碳素材料,早在19世纪60年代初就发现了膨胀石墨,然而其应用则在百年之后才开始。从此,众多国家就相继展开了膨胀石墨的研究和开发,取得了重大的科研突破。

膨胀石墨遇高温可瞬间体积膨胀150300倍,由片状变为蠕虫状,从而结构松散,多孔而弯曲,表面积扩大、表面能提高、吸附鳞片石墨力增强,蠕虫状石墨之间可自行嵌合,这样增加了它的柔软性、回弹性和可塑性。

石墨晶体是两向大分子层状结构,每一平面内的C原子都以CC共价键相结合,层与层之间以较弱的范德华力相结合。

石墨的层状结构十分典型,每一层片是一个碳原子层,层内碳原子之间以sp2杂化轨道成很强的共价键,即12s电子和22p电子杂化等价的杂化轨道,位于同一平面上,互相形成σ键,而二个未参加杂化的2P电子则垂直于平面,形成二键π。石墨的这种层状结构使得层间存在一定的空隙。因此在一定条件下,某些反应物(如酸、碱、卤素)的原子(或单个分子)即可进入层间空隙,并与碳网平面形成层间化合物。这种插有层间化合物的石墨即为可膨胀石墨。碳原子层间以很弱的范德华力相联系,这种结构允许插层物质能够顺利地进入碳原层间而不破坏碳原子层内的六角网状结构,因此天然石墨是制备石墨插层化合物最好的母体材料。可膨胀石墨是一种利用物理或化学的方法使非碳质反应物插入石墨层间,与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。它不仅保持石墨优异的理化性质,而且由于插入物质与石墨层的相互作用而呈现出原有石墨及插层物质不具备的新性能。插有层间化合物的石墨在遇到高温时,层间化合物将分解,产生一种沿石墨层间C轴方向的推力,这个推力远大于石墨粒子的层间结合力,在这个推力的作用下石墨层间被推开,从而使石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀,形成蠕虫状的膨胀石墨。石墨层与层之间可入化学物质而具有可膨胀性。如可采用硫酸处理石墨,干燥后石墨在高温下膨胀,这是由于硫酸分子入石墨层所致。

膨胀石墨的发展方向:

1、特殊用途的膨胀石墨

实验表明,石墨蠕虫具有吸收电磁波的功能,这一性质使膨胀石墨具有很高的军事应用价值。美国军队和我军都已进行了这方面的试验研究。这种膨胀石墨必须满足以下要求:(1)起始膨胀温度低,膨胀体积大;(2)化学性质稳定,储存5年,膨胀倍率基本不衰减;(3)膨胀石墨表面呈中性,对弹壳无腐蚀。

2、颗粒膨胀石墨

小颗粒膨胀石墨主要指300目的可膨胀石墨,其膨胀容积为100ml/g,该产品主要用于阻燃涂料,其需求量很大。

3、高起始膨胀温度的膨胀石墨

高起始膨胀温度的膨胀石墨起始膨胀温度为290-300,膨胀容积≥230ml/g。这类膨胀石墨主要用于工程塑料和橡胶的阻燃。

4、表面改性石墨

膨胀石墨作阻燃材料时,涉及到石墨与其他组分的相溶性问题,由于石墨表面的矿化度很高,它既不是亲油性物质,也不是亲水性物质。所以必须对石墨表面进行改性才能解决石墨与其他组分的相溶性问题。有人曾提出将石墨表面变白,即在石墨表面覆盖一层坚固的白色薄膜,这是一个很难解决的问题,涉及膜化学或表面化学的问题,实验室可能做到,工业化存在难题。此类白色可膨胀石墨主要用来做阻燃涂料。

5、低起始膨胀温度、低温膨胀石墨

此类膨胀石墨开始膨胀的温度为80-150600时膨胀容积达250ml/g。制备满足这一条件的可膨胀石墨难点在于:(1)选择合适的插层剂;(2)烘干条件的控制和掌握;(3)水分的测定; 4)环保问题的解决。

膨胀石墨的特性:

极强的耐压性、柔韧性、可塑性和自润滑性;

极强的抗高、低温、抗腐蚀、抗辐射特性;

极强的抗震特性;

极强的电导率;

极强的抗老化、抗扭曲的特性;

可以抵制各种金属的熔化及渗透;

无毒、不含任何致癌物,对环境没有危害;

可膨胀性石墨薄片的膨胀特性不同于其他膨胀剂,受热达到一定温度时,由于吸留在层间点阵中化合物分解,可膨胀石墨便开始膨胀,称为起始膨胀温度,在1000时膨胀完全,达到最大体积。膨胀体积可以达到初始时的200倍以上。膨胀后的石墨称为膨胀石墨或石墨蠕虫,由原鳞片状变成密度很低的蠕虫状,形成了一个非常好的绝热层。膨胀石墨既是膨胀体系中的碳源,又是绝热层,能有效隔热,在火灾中具有热释放率低,质量损失小,产生的烟气少的特点。

膨胀石墨的用途:

但是从现有的文献中可以查知,膨胀石墨是一种性能优良的吸附剂,尤其是它具有疏松多孔结构,对有机化合物具有强大的吸附能力,1 g膨胀石墨可吸附80 g石油,于是膨胀石墨就被设计成各种工业油脂和工业油料的吸附剂。

膨胀石墨极易吸附油类、有机分子及疏水性物质,用于水环保处理有着其它物质不可替代的效果。当它以粒状形式用于水面除油时,根据水面上油面积的大小以及油种类的不同,其用量为1lo% /rn ,吸附时间可在15rain至数h不等。

膨胀石墨的种类:

柔性石墨密封材料按其用途,主要分为两大类:一类用于各种泵、阀门、反应釜上的密封填料;另一类是用于各种管道法兰上的石墨垫片。

密封填料

密封填料是将切成适当宽度和长度的膨胀石墨带缠绕在不同规格的金属模中,在压力机上直接成型的预成填料,适用于各种截止阀、闸阀、调节阀、球阀、加阀等。

密封垫片

通常可分为两种,一种是纯石墨垫片,它是用膨胀石墨粒料直接在金属模中压制成型,也可用膨胀石墨板材直接冲裁或切割而成;另一种是石墨缠绕垫,是以金属带和膨胀石墨重叠卷成,可以在较高压力下使用。

石墨盘根

石墨盘根是用棉纤维或石墨纤维同石墨卷箔编织而成的密封材料。以棉纤维为芯的石墨盘根(SPM型)适用于压力12MPa、温度200以下的管道、阀门、机泵等的密封,接触介质可为河水、自来水、地下水、海水、油类等。以石墨纤维为芯的石墨盘根(SPS型)适用于压力12MPa、温度350以下的管道、阀门、机泵等的密封,接触介质除了各种水、油类外,还可以接触酸碱物质。

膨胀石墨的优点:

与其它吸附剂相比,膨胀石墨有许多优点。如采用活性炭进行水上除油,它吸附油后会下沉,吸附量也小,且不易再生利用;还有一些吸附剂,如棉花、草灰、聚丙烯纤维、珍珠岩、蛭石等,它们在吸油的同时也吸水,这给后处理带来困难;膨胀石墨对油类的吸附量大,吸油后浮于水面,易捕捞回收,再生利用处理简便,可采用挤压、离心分离、振动、溶剂清洗、燃烧、加热萃取等法,且不会形成二次污染。

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